浅谈双玻璃光伏幕墙建筑一体化设计

摘 要：光伏是最可信赖的可再生能源技术之一。光伏的意义在于直接在现场把太阳能转化为电能,不用担心对环境的危害,没有噪音,没有污染,不用消耗资源。在光伏技术越来越广泛的商业化使用过程中，光伏与建筑的一体化是最重要的应用领域和市场。本文简要分析了光电玻璃在幕墙建筑设计中的各个设计环节。

关键词：双玻璃；光电幕墙；建筑一体化

1 前言

随着石化能源的日益枯竭和人类生存环境的日益恶化，世界各国对清洁能源如太阳能、风能等可再生能源的支持力度越来越大。光伏建筑一体化建筑是光伏应用形式中最接近人类生活的一种，是绿色节能环保理念的完美体现。光伏玻璃是一种通过层压入太阳电池，能够利用太阳辐射发电，并具有相关电流引出装置以及电缆的特种玻璃。它有着美观、透光可控、节能发电的优点，应用非常广泛，如：太阳能智能窗，太阳能凉亭和光电玻璃建筑顶棚，以及光电玻璃幕墙等等。

2 光伏建筑玻璃的设计

2.1 基本原则

在设计中，首要考虑的应该是玻璃的基本物理与电性能，包括：光电玻璃边框材料类型、电池材料、可承受的荷载、绝缘性能、温度系数、额定工作温度及性能、低辐照度下的性能以、热斑耐久性能以及湿热-湿冷性能。这些性能都是光电玻璃建筑材料基本需要满足的，一般只有在满足了基本物理和电性能的情况下才能考虑其他。

其次必须考虑到材料具体建筑功能，是否能达到替代普通建筑材料的功能，各种性能是否能达到普通建筑材料的功能标准。作为一种建筑材料它的防火、防水、结构强度是否能达到设计要求？再次在设计光伏玻璃建筑材料时应该还要考虑其美观性。因此，光伏玻璃与建筑一体化设计的目标如下：

（1）容易和任何建筑结构设计合成一体，能够比较方便的安装在任何普通结构上，与一般建筑材料能够很方便的衔接。

（2）通过特殊的结构设计，光电玻璃必须具有良好的防渗性能和防风性能，必须具有和普通建材一样的防风避雨的功能。

（3）能有和普通建材一样的持久性能，这主要和安装光电玻璃建材的构件选择材料有关。

（4）光伏玻璃的安装必须符合建筑标准规范，并且和普通建材的安装用时相当。

（5）安装工作能由传统安装工人完成。

（6）线路连接应该符合相关规范，不能由于接线盒、电线以及安全性的不同而导致复杂化。

（7）系统应该提供简便的维修通道。

（8）对于晶硅电池光伏玻璃建材系统而言，由于其电池存在负温度效应，必须设计相关的降温结构。

2.2 结构设计要求

光电玻璃是由玻璃－EVA胶膜－太阳电池－EVA胶膜－玻璃共5层组成，类似于建筑上常用的夹胶玻璃。可以通过控制双面玻璃之间的电池间隙和边缘空隙，来制成5％～80％透光率的光电玻璃。理论上用于建筑上的光电池板尺寸越大越好，因为可以减少边框以及固定构件的使用，降低成本，并且可以真正替代大面积的玻璃，但受工艺方面的限制，目前尺寸大多在1.8×2.4m以下。电池板上表面玻璃要求要有较高的透过率，一般采用超白低铁钢化玻璃，厚度一般在4～6mm之间；底板玻璃由于起主要的支承、承压作用，厚度要求可以在4～19mm之间，具体厚度应该根据光电玻璃建材安装的部位以及抗风压要求等决定，底层玻璃应该使用钢化玻璃，以避免热应力的破坏。由于目前还没有关于用于建筑物上的双面太阳电池玻璃要求的国家标准，以下我们参考夹胶玻璃的相关技术规范以及太阳电池组件国家规范，提出对光电玻璃的性能要求。

2.3 机械荷载设计

机械荷载主要是指光电玻璃抗风、雪或冰块等静态载荷的能力。用于建筑屋顶的光电玻璃建筑材料以及安装在建筑立面的光电玻璃经常要承受此类负荷。机械载荷的设计包括：光电玻璃的玻璃面板设计，边框设计和构件设计为主。

光电玻璃玻璃表面强度的设计目前还没有确切的计算标准，目前可以参照夹层玻璃的设计标准强度设计，采用不同厚度的面板玻璃；另外在普通幕墙玻璃的设计中，还有桡度限值的要求，在风载荷标准值作用下，四边支承玻璃的桡度限值df，lim宜按照其短边边长的1/60采用。对于光电玻璃来说，其内部层压的太阳电池属于非常易碎的薄片，因此其桡度要求更高，具体取值目前还没有任何试验证明，因此建议采用更高标准1/30左右设计。

边框的设计强度可以根据材料的使用部位，国家规定的普通建筑标准，进行设计并相关进行试验；

构件强度设计主要依据的是光电玻璃建材使用的部位，需满足的结构强度要求来选择不同的材料。因此必须要求光电玻璃在均匀承压2400Pa一小时的情况下，达到以下要求：无间歇断路或漏电、无外观缺陷、功率衰减不超过5%以及绝缘电阻应满足初始试验要求。

2.4 落球冲击剥离的性能

参照幕墙设计规范，根据使用部位、安全性的不同，光电幕墙可分为：Ⅰ类、Ⅱ-1类、Ⅱ-2类、Ⅲ类光电玻璃具体使用种类。

Ⅰ类光电玻璃：对霰弹袋冲击试验不作要求的光电玻璃。

Ⅱ-1类光电玻璃：霰弹袋冲击高度1200mm，符合霰弹袋冲击性能规定的光电玻璃。

Ⅱ-2类光电玻璃：霰弹袋冲击高度750mm，符合霰弹袋冲击性能规定的光电玻璃。

Ⅲ类光电玻璃：总厚度不超过16mm且符合霰弹袋冲击性能规定的光电玻璃。

霰弹带冲击性能

种类冲击高度，mm结果判定

Ⅱ-1类1200

Ⅱ-2类750试样不破坏；如试样破坏，破坏部分不应存在断裂或使直径75mm球自由通过的孔

Ⅲ类300450

600750

9001200需同时满足以下要求：

b)破坏时，允许出现裂缝和破碎物，但不允许出现断裂或产生使75mm球自由通过的孔。

c)在不同高度冲击后发生崩裂而产生碎片时，称量试验后5min内掉下来的10块最大碎片，其质量不得超过65cm2面积内原始试样的质量。

d)1200mm冲击后，试样不一定保留在试验框内，但应保持完整。

2.5 叠差和对角线偏差

光电玻璃作为建筑材料，应符合夹层玻璃的相关生产规范，其最大叠差应符合以下规定：

最大允许偏差

长度或宽度L最大允许叠差δ

L10002.0

1000≤L20003.0

2000≤L40004.0

L≥40006.0

对于矩形光电玻璃制品，一边长度小于2400mm时，其对角线偏差不得大于4mm，一边长度大于2400mm时，其对角线偏差应由供需双方商定。

2.6 温度系数

光电玻璃的温度系数包括电流温度系数（α）和电压温度系数（β），即光电玻璃温度与电流和电压之间的关系。由于晶硅电池存在负温度效应，随着温度的升高效率会下降，光电玻璃作为建筑材料安装在建筑表面，如果在通风条件不好的情况下，电池温度上升得很快，因此应尽量选择温度系数小的光电玻璃。

2.7 低辐照度下的性能

低辐照性能指在25℃和辐照度200W・m-2的自然光下，光电玻璃随负荷变化的电性能。光电玻璃建筑材料特别是用在幕墙上，由于倾角一般不能达到最佳倾角，经常处于辐射光照不足的情况，因此对散射光的吸收就很重要了，在低辐射照度下的性能要求要高。

2.8 热斑耐久性能

热斑效应是指当光电玻璃中的一个电池或一组电池被遮光或损坏时，工作电流超过了该电池降低了的短路电流，在光电玻璃中会发生热斑加热。此时受影响的电池或电池组被处于反向偏置状态，必定消耗功率，从而引起过热。热斑耐久性能是指光电玻璃经受热斑加热效应的能力，如焊点熔化或封装材料老化。电池裂纹或不匹配、内部连接失效、局部被遮光或弄脏均会引用这种缺陷。光电玻璃建筑材料经常有可能会被其他建筑物或建筑材料、树木、鸟粪等的遮挡，因此光电玻璃建筑材料的抗热斑耐久性能应该要求比较高。

2.9 热性能

光电玻璃的热性能包括光电玻璃经受由于温度反复变化而引起的热失配、疲劳和不同的应力的能力；光电玻璃经受高温、高湿之后的零下温度影响的能力；光电玻璃经受长期湿气渗透的能力。光电玻璃与建筑结合，作为建筑的围护结构，长期经受高温、高湿以及高承力状态下，因此应特别注意其此方面的性能。

2.10 绝缘性能

绝缘性能是指光电玻璃建筑材料中的载流元件与建材边框之间的绝缘是否良好。在光电玻璃建筑一体化系统中，由于光电玻璃建筑材料直接安装在建筑上面，人与其的接触比较多，因此其绝缘非常重要。

(1)在光电玻璃建材中电池板内电池正负极的引出端必须使用绝缘胶密封。

(2)光电玻璃的引出线在金属框架内走线时，必须采用在外另加一层绝缘套管。

(3)光电玻璃与构件之间的金属接触部位应该用柔性绝缘垫片隔离。

一般要求在建材构件金属外壳于光电玻璃内元件之间加上1000V再加上两倍的系统最大电压下维持1min，光电玻璃无绝缘击穿或表面无破裂现象，同时绝缘电阻要求不小于50MΩ。

3 应用安装结构设计

光电玻璃建筑材料安装结构形式分为两种即明框、隐框式、无框式安装结构。

除了一般的建筑安装标准要求外，光电玻璃建材的安装还有以下特殊要求。

（1）无框式结构主要通过两种形式的构件――点式驳接抓和点式螺栓固定，

都需要对电池板预先钻孔，因此对于光电玻璃建筑材料的安装要求：a、在定制光电玻璃前应该详细规划好电池板需要钻孔的位置，以方便在焊接、层压电池板的时候，电池片和焊条远离这些区域；b、电池板的线路引出需经过仔细设计，尽量不显露在内外面可视范围内，影响美观；c、电池板边缘空白区域应稍微留多一点，一般以50mm以上为宜，以保护电池板内部不容易受腐蚀；d、在支撑孔周围应用硅酮建筑密封胶进行可靠的密封。

（2）明框结构即金属框架的构件显露于面板外表面的框支承结构，在这种结构上安装只要按照普通玻璃建材安装即可，线路可以隐藏在型材结构内部，钻孔位尽量选择在凹槽内，并用硅酮建筑密封胶固定密封。同时由于对于幕墙来说，横向框架对太阳光线的遮挡，电池效率通常会降低3-5%。因此可以降低横向框架高度，或者甚至只用竖向框架。

（3）隐框结构即金属框架的构件完全不显露于面板外表面的框支承幕墙，光电玻璃与构件之间用结构胶固定。这种结构的安装应注意以下几点：a、在安装前应清除电池板和铝框架表面的灰尘、油污和其他污物，应分别使用带溶剂的擦布和干擦布清洁干净；b、应在清洁后1小时内进行注胶；注胶前再度污染，应重新清洁；c、采用硅酮建筑密封胶粘结板块时，不应使结构胶长期处于单独受力状况。硅酮建筑密封胶在固化并达到足够承受力前不应搬动。

明框式和隐框式结构都可以适用于BIPV中如图1。明框式更加普遍且更便宜，但是存在遮光。阳光照射在明框上会形成阴影，只要一小部分的阴影就能造成效率的大幅度下降。不过这种影响在竖框结构和系统边缘光电玻璃上体现不明显。同时由于光电玻璃玻璃表面的积灰通过雨水冲刷以后同雨水一起容易积累在底边框内侧。

在隐框式结构中就不存在阴影作用，但也有其他的问题。安装光电玻璃之间的结构胶可能会和电池板中的EVA发生反应，破坏光电玻璃的结构和绝缘、密封性能。另外由于隐框式结构中，电池板的整个外观都是可见的，而大多数的光电玻璃在边缘处都会有缺陷，颜色会不同，光电玻璃边缘不得不再修饰一下。并且在隐框式中线路也不好在结构胶中安装和隐藏。

4 应用电路设计

光电玻璃幕墙电线的走线既可以安置在普通的导管内又可以置于铝结构腔内。如置于铝结构腔内，线路必须做好更严格的绝缘措施，并在光电玻璃结构上接地。在中空光电玻璃玻璃中，引出的线路出口还必须严格密封，阻止外部空气的进入。电池的引出线要有足够强度。参考《IECll94：建筑物的电气安装》与《IEC269-l：低压保险》标准中的相关要求，查阅《建筑电气设计手册》，考虑到光电玻璃建筑材料工程中电缆使用环境：高层建筑、部分架空，推荐使用交联聚乙烯阻燃型电缆线，确保工程安全、防火。

5 结束语

光电玻璃的结构设计主要考虑就是易安装、易拆卸、易维修、易更换、外形美观、生产简便、生产成本低。从保证太阳能电池性能方面考虑，要求尽量减少太阳能电池背面温度对太阳能电池输出电压和转换效率的负面影响。在这些新型光电玻璃建筑材料的基础上，设计应该同时满足其建筑功能、电力负荷、美学等要求。光伏建筑是清洁能源产品与建筑完美结合的产物。相信在未来几年内将会涌现出大批的光伏建筑艺术品，并且是一些非常有代表性的大型光伏建筑项目。